CC BY
21
ние электризации связано переходом электронов от одного тела к другому. П. Леб [11], принимая, что электризация полимеров при контакте с металлом может осуществляться благодаря переходу электронов с металла на полимер, а также путем перехода положительных и отрицательных ионов на поверхность металла. Причем, согласно исследованиям Б.И. Сажи-на [12], природа переходящих частиц зависит от условий взаимодействия металла с полимером: при малых давлениях более вероятен переход электронов, а при больших - ионов. К. Хауффе [13] учитывал преимущественную ориентацию дипольных молекул на граничной поверхности полярных диэлектриков. Другие точки зрения на механизм электризации полимеров в трибосопряжениях приведены в книге В.И. Колесникова [9], в которой указано, что прогнозирование трибоэлектрических характеристик металлополимер-ного сопряжения является весьма актуальной задачей.
К сожалению, насколько нам известно, для решения этой задачи мало привлекаются электрохимические знания. Так, механизмы намазывания металла на полимер и ускорения износа металлического контртела в паре с отрицательно заряженными полимерами получают естественное объяснение исходя из электрохимической ситуации, складывающейся в этих условиях.
Известно, что отнятие электронов у металла есть не что иное, как анодная поляризация этого металла, уменьшающего энергию активации перехода ионов металла из металла в смежную фазу, и, следовательно, ускоряющего окислительный процесс: М - 2е ^ М2+ (см. рис. 1а), заряжение полимера отрицательным зарядом облегчает катодный (электровосстановительный) процесс М2+ + 1е ^ М (см. рис. 1в).
Заряжение полимера избыточным отрицательным зарядом за счет электронов металла означает провоцирование анодной (электроокислительной) поляризации металла (контртела) и инициирование катодной (электровосстановительной) реакции на поверхности отрицательно заряженного полимера.
Следовательно, процесс «намазывания» твердого металла на более мягкий полимер имеет электрохимическую природу.
Литература
1. Билик Ш.М., Цуркан В.П. Влияние направления стекания электрических зарядов, образующихся при трении, на износ металополимерной пары // Теория смазочного действия и новые материалы. М., 1965. С. 222-224.
2. Цуркан В.П. Исследование трибоэлектричества при сопряжении металла с пластмассой и его влияние на антифрикционные свойства узла терния: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1965.
3. Цуркан В.П. Работоспособность металлополимерных пар трения с учетом их трибоэлектрического эффекта // Тр. ВНИИЖТ. М., 1969. Вып. 381. С. 151-153.
4. Цуркан В.П. Электрические явления в узлах трения металл-пластмасса // Пластмассы в подшипниках скольжения. М., 1965. С. 75-82.
5. Георгиевский Г.А., Лебедев Л.А., Бороздинский Е.М. Ис-
следование кинетики электризации при скольжении фрикционных пластмасс по металлу // Электрические явления при трении, резании и смазке твердых тел. М., 1973. С. 12-20.
6. Поляков А.А., Гаркунов Д.Н. Водородная хрупкость поверхностных слоев при трении // ФХММ 1969. № 2. С. 48-57.
7. Поляков А.А., Крагельский И.В., Гаркунов Д.Н. О водородном износе//Докл. АН СССР. 1970. Т. 195. № 3. С. 666-668.
8. Гаркунов Д.Н., Поляков А.А. Развитие исследований водородного износа и новые задачи//Исследование водородного износа. М., 1977. С. 3-12.
9. Колесников В.И. Трибофизические процессы в металлополимерных трибосистемах. М., 2003.
10. Дерягин Б.В., ИзотоваН.А. Адгезия. М.;Л., 1949.
11. Леб Л.Б. Статическая электризация: Пер. с анг. М., 1963.
12. Сажин Б.И. Электрические свойства полимеров. М., 1970.
13. Хауффе К. Реакция в твердых телах и на их поверхности. М., 1962. Ч. 1.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ),
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, г. Шахты 11 февраля 2004 г.
УДК 621.762.5
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ
МАРГАНЦЕМ
© 2004 г. А.Г. Величко
В промышленности, и особенно в порошковой металлургии, все большее распространение получают эффективные ресурсосберегающие технологии поверхностного легирования материалов. Методом, отличающимся значительной скоростью диффузии, является насыщение легирующими элементами путем
электролиза жидкой среды, как правило, расплава смеси солей. Метод практически полностью исключает окисление компонентов порошкового материала, позволяет управлять как концентрацией легирующего элемента, так и глубиной образующегося слоя, снизить расход легирующих элементов.
При легировании сталей марганцем отмечается крайняя затрудненность последующей механической обработки, которая часто связана с применением дорогостоящего инструмента и в машиностроении практически не применяется. Стальные изделия, частично легированные по отдельным поверхностям диффузионными методами, достаточно удобны в производстве и могут не уступать по эксплуатационным свойствам изделиям из стали Г13.
Как отмечали исследователи [1], для порошковой стали Г13, изготовленной классическими методами порошковой металлургии (с продолжительным спеканием в печи), характерно снижение пластичности. Это явление связано с обезуглероживающим действием атмосферы нагрева. Исследователи отмечают также, что при получении порошковых железомарганцевых сплавов возникают большие трудности вследствие высокой химической активности марганца при взаимодействии с кислородом [2].
Ближайший аналог - насыщение порошковых железо-углеродистых материалов марганцем из пасты под действием токов высокой частоты (ТВЧ). Способ включает покрытие поверхности материала пастой, содержащей порошок марганца, криолит, этилсили-кат. Затем осуществляется нагрев образца в течение 75 с до 1250 °С с помощью установки ТВЧ [3].
Этот процесс имеет существенные недостатки: уменьшение скорости диффузии в связи с падением концентрации марганца в слоях пасты, прилегающих к насыщаемому материалу; и недопустимо высокие для ряда материалов и изделий скорости нагрева и градиенты температур; высокая требовательность к точному поддержанию температурного режима и одновременно значительные трудности с его соблюдением; недостаточная для промышленного производства стабильность результатов.
Часть указанных недостатков можно устранить, применив диффузионное насыщение сталей марганцем из соляного расплава, содержащего МпС12 и №С1 в пропорции, соответствующей требуемому содержанию марганца в поверхности стали. Насыщение горя-чедеформированной низкоуглеродистой стали (пористость 3 %) марганцем проводилось в печи-ванне из расплава 15 % МпС12 + 85 % №С1 при температурах 950 °С, 1100 °С, 1300 °С. Деталь является катодом, анодом служит графитовый электрод. Схема установки приведена на рис. 1 [4].
Установка работает следующим образом: в корпусе 1 помещается насыпная соль 8, в нее погружаются образец 4 и электрод 2, к которым подается постоянное напряжение 40 В, отрицательным электродом является деталь, а положительным - графитовый электрод. Розжиг печи осуществляется соединением электродов, т. е. запальник 3 в виде электрода диаметром 2-6 мм, соединенный с деталью, подводится к другому в соли до возникновения дуги. В течение нескольких секунд вокруг дуги образуется ванночка из соляного расплава. Далее запальник отодвигается от электрода на расстояние 10-30 мм, дуга гаснет, электрический ток идет через расплав. Запальник
постепенно приближается к противоположному электроду, при этом за ним формируется дорожка соляного расплава. После соединения электродов этой дорожкой запальник удаляется из печи, границы ванны стабилизируются, розжиг завершается. Контроль температуры осуществляется термодатчиком 6, представляющим хромель-алюмелевую термопару. С помощью вольтметра 5 фиксируются показания термопары. Путем изменения межэлектродного расстояния можно повышать или понижать температуру в расплаве.
3
Рис. 1. Схема установки: 1 - корпус печи; 2 - положительный электрод; 3 - запальник; 4 - образец; 5 - вольтметр 6 - термодатчик; 7 - расплав смеси солей; 8 - соль
Результаты экспериментов свидетельствуют, что при равной концентрации легирующего элемента и плотности тока 5 А/см2 (рис. 2-4) большая глубина диффузионного слоя достигается при большей температуре.
Рис. 2. Содержание марганца в диффузионном слое, полученное при температуре 950 °С
Рис. 3. Содержание марганца в диффузионном слое, полученное при температуре 1100 °С
образца. Концентрация легирующего элемента у насыщаемой поверхности достаточно высока и стабильна в течении всего процесса насыщения.
Рис. 4. Содержание марганца в диффузионном слое, полученное при температуре 1300 °С
При данном способе насыщения окисления марганца, характерного для марганцовистой стали, полученной методами классической порошковой металлургии, не наблюдается. Поверхность образца не подвержена разъеданию и подплавлению, характерному для диффузионного насыщения с помощью установки ТВЧ.
Необходимо отметить, что высокие плотности тока в установке достигаются увеличением силы тока в цепи питания при неизменной площади образца. В процессе наблюдается интенсивное перемешивание расплава и обновление его состава у поверхности образца за счет конвекции. И достаточная равномерность распределения концентрации марганца в поверхностном слое детали в первую очередь связана с этим явлением.
Ранее применялся способ заключающийся в следующем: в тигель насыпается соль. В соль погружается электрод и образец. Тигель помещается в печь и там разогревается до температуры плавления смеси солей. На электроды подается напряжение и происходит электролиз. По сравнению с данным методом плотность тока в предполагаемом способе возрастает с 1 А/см2 до 5 А/см2, а производительность процесса при этом интенсифицируется более чем в два раза (рис. 5).
Прелагаемый метод диффузионного насыщения характеризуется следующими преимуществами: надежная защита от окисления поверхности насыщаемого
Рис. 5. Содержание марганца в диффузионном слое, полученное при температуре 1100 °С и плотности тока 1 А/см2
Нагрев поверхности образцов до температуры диффузионной подвижности марганца осуществляется равномерно, а рабочая температура при насыщении легко стабилизируется. Его введение в промышленное производство позволит с минимальными затратами значительно интенсифицировать процесс диффузионного насыщения.
Литература
1. Дорофеев Ю.Г., Жердицкий Н.Т., Колесников В.А., Кудрявцев А.К., Неудажина А.И. // Исследования в области порошковой и стружковой металлурги / Тр. НПИ. Новочеркасск, 1969. Т 221. С. 49 - 57.
2. Волынова Т.Ф. Высокомарганцовистые стали и сплавы. М., 1988.
3. Кидин И.Н., Андрюшечкин В.И., Волков В.А., Холин А.С. Электрохимическая обработка металлов и сплавов. М., 1978.
4. Скориков А.В., Гайдамакин В.А. Модернизированная высокотемпературная печь-ванна // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатроники: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2002. Ч. 3.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)
1 апреля 2004 г.
УДК 621.833.6
ФОРМИРОВАНИЕ ЛИНИИ ТОЧЕК КОНТАКТА СОПРЯЖЁННЫХ ПРОФИЛЕЙ ЦЕВОЧНОЙ СТУПЕНИ ПЛАНЕТАРНЫХ ПЕРЕДАЧ С ВНЕЦЕНТРОИДНЫМ ЭПИЦИКЛОИДАЛЬНЫМ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ
© 2004 г. С.О. Киреев
Планетарные передачи с внецентроидным цевочным эпициклоидальным зацеплением, благодаря ряду достоинств, успешно применяются в приводах звеньев промышленных роботов и в системах автоматическо-
го управления различными сервисными и технологическими устройствами современного производства [1]. Проектирование и изготовление этих передач сопряжено с изучением процесса формирования и
